CN113913643A - 一种Cu-Fe-Re原位复合强化铜合金材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Cu‑Fe‑Re原位复合强化铜合金材料及其制备方法,所述Cu‑Fe‑Re原位复合强化铜合金材料含有以下重量百分比的化学成分:Fe:5‑16%,Re:0.02‑0.12%,余量为Cu及不可避免的杂质;所述Re为La与Ce的混合物;采用熔炼—电磁连铸—热挤压—冷拔—一次退火—冷拔—中间退火—冷拔—成品退火的工艺进行制备,发明提供的Cu‑Fe‑Re原位复合强化铜合金材料的抗拉强度≧700MPa、延伸率≧7%、维氏硬度≧190HV、电导率≧60%IACS、100KHz‑10GHz下的电磁屏蔽性能≥80dB,具有高强度,高导电、导热性,且制备工艺简单,成本低。
Description
技术领域
本发明属于铜合金技术领域,具体涉及一种Cu-Fe-Re原位复合强化铜合金材料及其制备方法。
背景技术
高强高导铜合金是微电子、信息通讯、交通工业、国防军工不可或缺的关键材料。制备高强度、高导电性的铜合金仍然是目前的研究重点。我国在此领域研究起步较晚,工业所需的高性能铜合金主要依赖进口,而我国是铜资源大国,拥有众多的铜加工企业,因此,对高性能铜合金进行研究开发,逐步建立拥有自主知识产权的铜合金材料体系具有重要意义。
研发高性能铜合金的主要难点在于材料的强度和电导率难以兼顾,强度的提高常以损失电导率为代价。大量研究发现Cu-Nb、Cu-Ta、Cu-Cr、Cu-Fe等二元铜合金具有良好的强度和导电性的配合。其中熔点较低、成本合理、强化效果好的Fe元素将是铜基原位复合材料的理想第二组元。研究者希们望通过增加Fe元素的含量进一步提升合金的强度,但由于Fe元素在Cu基体中固溶度小,随着Fe含量的升高,不溶的Fe相会在Cu基体中形成大范围的偏聚,对性能造成十分不利的影响。且Fe元素在熔炼过程中极易发生偏析,对感应熔炼炉的电磁搅拌和电磁连铸要求很高。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明提供了一种Cu-Fe-Re原位复合强化铜合金材料及其制备方法,所述Cu-Fe-Re原位复合强化铜合金材料具有高强度,高导电、导热性,且制备工艺简单,成本低。
本发明采取的技术方案如下:
一种Cu-Fe-Re原位复合强化铜合金材料,所述Cu-Fe-Re原位复合强化铜合金材料含有以下重量百分比的化学成分:Fe:5-16%,Re:0.02-0.12%,余量为Cu及不可避免的杂质;所述Re为La与Ce的混合物。
所述La与Ce的质量比为45-55:55-45。
所述Cu-Fe-Re原位复合强化铜合金材料的金相组织为铜基体+铁相+稀土相,晶粒度等级为7-10。
所述Cu-Fe-Re原位复合强化铜合金材料的抗拉强度≧700MPa、延伸率≧7%、维氏硬度≧190HV、电导率≧60%IACS、100KHz-10GHz下的电磁屏蔽性能≥80dB。
本发明还提供了所述的Cu-Fe-Re原位复合强化铜合金材料的制备方法,所述制备方法包括以下步骤:熔炼—电磁连铸—热挤压—冷拔—一次退火—冷拔—中间退火—冷拔—成品退火。
所述熔炼步骤中,使用99.97wt%电解铜、99.4wt%纯Fe、含镧铈的混合稀土45-55:55-45为原料,将放入中频感应炉中,在非真空环境下进行熔炼。
所述浇铸步骤中,为细化晶粒,将熔化了的金属液浇入带有磁场的结晶器中,进行电磁连铸得到铸锭,浇铸温度为1300-1400℃,电磁频率30-50Hz,搅拌电流100-120A。
所述热挤压步骤中,将浇铸件在1020-1050℃保温2-2.5小时,然后进行热挤压,挤压比>30-60。
热挤压后的铜合金材料进行多道次冷拔变形,每道次变形量至少大于15%但小于60%,累计变形量达到30%时进行一次退火,达到50%时进行中间退火,达到80%及以上时进行成品退火。
所述一次退火、中间退火、成品退火,均是在500-600℃退火保温1h然后随炉冷却。
本发明通过在Cu-Fe合金中添加微量的混合稀土,主要起三个方面的作用:一是净化合金熔体减低杂质含量;二是降低高温下Fe元素在Cu中的固溶度,促进低温下Fe从Cu基体中析出,使材料的导电性能提高;三是细化了Fe枝晶,使之变成球形,使材料的强度得到显著提高;四是改善了材料的塑性,显著地提高了材料的冷变形性能,从而大幅度提高材料的成材率。
本发明通过多道次冷拔变形和退火,使球形Fe相粒子变形,增大了其与基体的结合强度,Fe相均匀分布在基体中见图,有效地增强了基体的强度。
本发明与现有技术比较,具有以下有益效果:
本发明将铜合金材料基体净化、组织细化与形变强化结合,工艺简化,制造成本最低,使材料的强度和导电性能达到了最佳组合,本发明提供的Cu-Fe-Re原位复合强化铜合金材料的抗拉强度≧700MPa、延伸率≧7%、维氏硬度≧190HV、电导率≧60%IACS、100KHz-10GHz下的电磁屏蔽性能≥80dB。而且材料制备方法简单,在工业应用中将具有广阔前景。
附图说明
图1为实施例1中的Cu-Fe-Re原位复合强化铜合金材料的金相组织图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
各实施例及对比例中的抗拉强度与延伸率测试参照GB/T 34505-2017《铜及铜合金材料室温拉伸试验方法》;硬度测试参照GB/T 4340.1-2009《金属材料维氏硬度试验第1部分:试验方法》;导电率测试参照GB/T 32791-2016《铜及铜合金导电率涡流测试方法》;电磁屏蔽测试参照GB/T 12190-2006《电磁屏蔽室屏蔽其效能的测试方法。
实施例1
一种Cu-Fe-Re原位复合强化铜合金材料,含有以下重量百分比的化学成分:Fe:8%,Re:0.02%,余量为Cu及不可避免的杂质;所述Re为La与Ce按照质量比55:45组成的稀土混合物。
所述Cu-Fe-Re原位复合强化铜合金材料的制备方法,包括以下步骤:熔炼—电磁连铸—热挤压—冷拔—一次退火—冷拔—中间退火—冷拔—成品退火;
其中,熔炼步骤中,使用99.97wt%电解铜、99.4wt%纯Fe、含镧铈的混合稀土为原料,将放入中频感应炉中,在非真空环境下进行熔炼;
浇铸步骤中,将熔化了的金属液浇入带有磁场的结晶器中,进行电磁连铸得到铸锭,浇铸温度为1350℃,电磁频率30Hz,搅拌电流100A;
热挤压步骤中,将浇铸件在1020℃保温2小时,然后进行热挤压,挤压比为30;
热挤压后的铜合金材料进行多道次冷拔变形,累计变形量达到80%,其中,累计变形量达到30%时进行一次退火,达到50%时进行中间退火,达到80%时进行成品退火,一次退火、中间退火、成品退火,均是在500℃退火保温1h然后随炉冷却至常温。
本实施例制备得到的Cu-Fe-Re原位复合强化铜合金材料的抗拉强度为702MPa,维氏硬度192HV、电导率65%IACS、100KHz-10GHz下的电磁屏蔽性能80dB。
实施例2
一种Cu-Fe-Re原位复合强化铜合金材料,含有以下重量百分比的化学成分:Fe:12%,Re:0.06%,余量为Cu及不可避免的杂质;所述RE为La与Ce按照质量比45:55组成的稀土混合物。
所述Cu-Fe-Re原位复合强化铜合金材料的制备方法,包括以下步骤:熔炼—电磁连铸—热挤压—冷拔—一次退火—冷拔—中间退火—冷拔—成品退火;
其中,熔炼步骤中,使用99.97wt%电解铜、99.4wt%纯Fe、含镧铈的混合稀土为原料,将放入中频感应炉中,在非真空环境下进行熔炼;
浇铸步骤中,将熔化了的金属液浇入带有磁场的结晶器中,进行电磁连铸得到铸锭,浇铸温度为1300℃,电磁频率40Hz,搅拌电流120A;
热挤压步骤中,将浇铸件在1020℃保温2小时,然后进行热挤压,挤压比为50;
热挤压后的铜合金材料进行多道次冷拔变形,累计变形量达到80%;其中,累计变形量达到30%时进行一次退火,达到50%时进行中间退火,达到80%及以上时进行成品退火,一次退火、中间退火、成品退火,均是在500℃退火保温1h然后随炉冷却至常温,
本实施例制备得到的Cu-Fe-Re原位复合强化铜合金材料的抗拉强度为720MPa,维氏硬度198HV、电导率60%IACS、100KHz-10GHz下的电磁屏蔽性能85dB。
比较例1
其他同实施例1,只是将实施例1制备方法中的电磁连铸工艺替换为普通模铸工艺,即将熔化了的金属液浇入普通的模子中,浇铸温度为1350℃;该比较例制备得到的Cu-Fe-Re原位复合强化铜合金材料的抗拉强度为620Pa,维氏硬度150HV、电导率55%IACS、100KHz-10GHz下的电磁屏蔽性能80dB。
比较例2
其他同实施例2,只是将实施例2制备方法中的电磁连铸工艺替换为普通模铸工艺,即将熔化了的金属液浇入普通的模子中,浇铸温度为1300℃;该比较例制备得到的Cu-Fe-Re原位复合强化铜合金材料的抗拉强度为650Pa,维氏硬度170HV、电导率60%IACS、100KHz-10GHz下的电磁屏蔽性能82dB。
可以看出,按照本发明中的方法可以稳定生产得到抗拉强度≧700MPa、延伸率≧7%、维氏硬度≧190HV、电导率≧60%IACS、100KHz-10GHz下的电磁屏蔽性能≥80dB的铜合金材料。
上述参照实施例对一种Cu-Fe-Re原位复合强化铜合金材料及其制备方法进行的详细描述,是说明性的而不是限定性的,可按照所限定范围列举出若干个实施例,因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改,应属本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种Cu-Fe-Re原位复合强化铜合金材料,其特征在于,所述Cu-Fe-Re原位复合强化铜合金材料含有以下重量百分比的化学成分:Fe:5-16%,Re:0.02-0.12%,余量为Cu及不可避免的杂质;所述Re为La与Ce的混合物。
2.根据权利要求1所述的Cu-Fe-Re原位复合强化铜合金材料,其特征在于,所述La与Ce的质量比为45-55:55-45。
3.根据权利要求1所述的Cu-Fe-Re原位复合强化铜合金材料,其特征在于,所述Cu-Fe-Re原位复合强化铜合金材料的金相组织为铜基体+铁相+稀土相,晶粒度等级为7-10。
4.根据权利要求1所述的Cu-Fe-Re原位复合强化铜合金材料,其特征在于,所述Cu-Fe-Re原位复合强化铜合金材料的抗拉强度≧700MPa、延伸率≧7%、维氏硬度≧190HV、电导率≧60%IACS、100KHz-10GHz下的电磁屏蔽性能≥80dB。
5.如权利要求1-4任意一项所述的Cu-Fe-Re原位复合强化铜合金材料的制备方法,其特征在于,所述制备方法包括以下步骤:熔炼—电磁连铸—热挤压—冷拔—一次退火—冷拔—中间退火—冷拔—成品退火。
6.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,所述浇铸步骤中,将熔化了的金属液浇入带有磁场的结晶器中,进行电磁连铸得到铸锭,浇铸温度为1300-1400℃,电磁频率30-50Hz,搅拌电流100-120A。
7.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,所述热挤压步骤中,将浇铸件在1020-1050℃保温2-2.5小时,然后进行热挤压,挤压比>30。
8.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,热挤压后的铜合金材料进行多道次冷拔变形,每道次变形量至少大于15%但小于60%,累计变形量达到30%时进行一次退火,达到50%时进行中间退火,达到80%及以上时进行成品退火。
9.根据权利要求8所述的制备方法,其特征在于,所述一次退火、中间退火、成品退火,均是在500-600℃退火保温1h然后随炉冷却。
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